第十四节 反射式和折反式摄影镜头有什么特点？

除了由透镜组成的摄影镜头之外，还有由反射镜组成的反射式摄影镜头和由反射镜与透镜组成的折反式摄影镜头。反射式物镜具有一些折射式物镜不具备的优点：

①不产生色差；

②可扩展波段，由可见光扩展到不可见光（红外光和紫外光）；

③可加大工作距离。

但是反射式物镜由于工艺上未达到成熟程度，故未被普遍采用。尽管如此，反射式与折反式物镜应用也很广。例如标准镜头、长焦镜头、望远镜镜头、显微镜头等都有折反式的。

一、包沃斯共心折反光学系统有什么特点？

包沃斯共心折反光学系统的光学结构如图 4-68 所示。其特点是：透镜的两个球面与反射球面的中心是重合的，并在此中心处设一光阑。因此通过光阑中心向各方向的光线都垂直于折射表面和球面镜，可以看做为光轴，故不存在轴外光线，也就不存在轴外像差（像散、慧差、畸变等像差）；反射镜是不存在色差的，弯月型透镜满足一定条件时也不产生色差；但反射镜产生球差可以由透镜的球差来补偿。但是，此共心物镜对无限远物平面所成的像，并不是一个平面，而是在以其焦距为曲率半径的一个球面上。这种物镜的相对孔径可达 1/0.8 或更大。这种物镜可拍摄照度很低的物体，如拍摄荧光屏上 X 射线等。

二、三组五片式折反镜头有什么特点？

一般折反式摄影镜头属于长焦距摄影镜头，视场较小，跟视场有关的像差也比较小，因此可不采用共心结构。此类镜头，虽焦距较长，但整个镜头的长度明显缩短，直径稍有增粗，整个外形比较小巧轻便。长焦折反型摄影镜头相对孔径较小，一般为 1∶8～1∶11，不适于拍摄低照度的物体。图 4-69 所示是一种典型的三组五片式折反摄影镜头的光学结

构及光路图。此镜头中的透镜 1 的后面中央部位镀有圆形反光层，透镜 2

在中央部位开有圆孔（直径与圆形反光层的直径相同），透镜 1 与透镜 2

胶合在一起。透镜 3 是表面镀有反光层的圆环形透镜。透镜 4 与透镜 5 胶合成一组。自景物投射来的光线，经透镜 1，2 的折射后，投射到透镜3 的凹形反光表面，然后被反射到透镜 1 背面的反光层上，再经过反射后，穿过透镜 3 中央孔，到达透镜 4 处，最后经透镜 4、5 的折射，在像平面上结成清晰的影像。

三、反射式与折反式望远镜有什么特点？

由于反射镜能反射较大的光谱范围的光而无色差，又较容易获得大孔径，反射镜的形状又可以校正球差，所以大孔径的天文望远镜多是由

反射镜（如回转抛物面反射镜等）做成。根据聚光本领与分辨率公式：

E′ = 1 Kπ 4

D ₂

B( )

f ′

(2 − 71)

∆y′ = 1.22 λ

D

f ′

(2 − 78a)

N = 1

∆y′

= 1

1.22λ

D

• ( )

f ′

(2 − 80)

可知欲提高天文望远镜的分辨率和增大接收光的能力，相对孔径 D/f′必须大，其中 f′很大，孔径 D 必须相应的要大（有的物镜直径可达几米）。若制造这样大的折射式望远物镜，无论是在工艺制造上还是光学玻璃的熔炼方面或是加工过程等方面都是困难的。反射式物镜却不然，不但可以设计得很轻巧，还降低了对材料的要求。因为光线不经过材料本身， 因此不需要对玻璃的性能提出过高的要求。早期的天文望远镜有用单个抛物面做成的，能很好地校正球差，不产生色差，但慧差严重，因而只能在小视场下工作。后来就改用双反系统了，其中比较著名的有卡塞格林系统和格利果里系统。反射式望远物镜可用在非可见光的摄影上。

1. 双反系统指什么？

①卡塞格林系统，此系统是由两个反射镜组成，光学结构与光路图如图 4-70 所示。主镜是抛物面，副镜是双曲面。自无限远景物的光线射到主镜上后被反射到副镜上，再经副镜反射后成清晰的倒像于像方焦平面处。这种系统筒长 l 比较短。

②格列果里系统，系统的光学结构与光路图如图 4-71 所示。其主镜也是抛物面，副镜是椭球面，所成的像是正立的，此结构筒长 l 较长。

1. 折反系统是什么？

反射系统对轴外像差校正是很困难的，因此一种新型的折反系统逐渐发展起来。理想的折反系统中的反射镜应该是非球面的，但因非球面加工困难，不能大量生产。常以球面为基础，加入一定的折射元件，用来校正球差，也可得到较好的效果。其中比较著名的折反射式望远镜有施密特物镜和马克苏托夫物镜。此外，在反射系统基础上在不同位置加上各种折射元件，以对某些像差进行补偿，有许多成像质量较好的折反式望远物镜。

①施密特物镜

施密特物镜的光学结构与光路图如图 4-72 所示。校正板是个透射元

件，其中一个面是平面，另一个面是非球面。这种物镜是施密特于 1931 年提出的，用于天文望远镜中，球面反射镜作主镜，系统没有色差，因为球面反射镜没有色差，校正板几乎近于平板，所产生的色差极小（可忽略不计）；因光阑设在反射镜曲率中心处（也就是校正板处），所以也就没有慧差和像散与畸变仅产生球差和场曲。校正板的非球面的面形能够使中央的光束略有会聚，而使边缘的光束略有发散，这样能使整个系统的球差得到很好的校正。场曲的半径为主镜球面半径的一半。若在焦平面上把像面做成球面，就能消除场曲的危害。

②马克苏托夫物镜

此种物镜的主镜是球面镜，负镜是弯月型厚透镜，其光学结构及光

路图如图 4-73 所示。当弯月型厚透镜的结构满足

1 − n²

r2 − r1 = 2 d n

(4 − 34)

时就不产生色差，故此时整个系统就不存在色差，但它的球差可补偿主镜产生的球差。光阑和厚透镜的位置接近于主镜的球心，因此产生的轴外像差很小。如果适当地改变透镜和主镜的参数，利用间隔变化还可以校正慧差。

③施密特——卡赛格伦照相物镜

图 4-74 所示为施密特—卡赛格伦系统，此系统具有双反系统与施密特系统的特点。

四、反射式与折反式显微物镜有什么特点？

由显微物镜的分辨率公式

N = 1

∆y = 0.610

= n sinu

λ

n sinu

(2 − 80(a))

(2 − 79)

∆y 0.610λ 可知在保持其数值孔径

（nsinu）不变的条件下，改用波长短（λ小）的紫外光通过显微物镜成像，可提高其分辨率，因而有紫外显微镜。由于玻璃不透过紫外光，因此紫外显微物镜多由反射镜组成。反射式显微镜在红外光中也有许多应用。除了纯透镜型的和纯反射镜型的显微镜之外，还有由反射镜和透镜联合组成的折反型显微物镜。

反射式显微物镜比较典型的有：

①图 4-75 所示是典型的双反显微物镜中的一种光学结构，由两个反射镜组成，它们都不产生色差，整个系统也无色差，两者的球差和慧差可以互相补偿。这种系统的数值孔径可达 0.5，可用作紫外显微物镜。

A 为被研究的微小物体，置于该物镜的近处，A′1 是通过反射镜 1 成的像，A′1 也是反射镜 2 的虚物，其共轭像为 A′，A′也是整个系统成的实像。

②牛顿物镜如图 4-76 所示，光学结构是由平面反射镜和球面反射镜

组成。以上两种都是基本结构。

折反式显微物镜跟反射式显微物镜相比可以增大数值孔径。例如在图 4-75 所示的结构基础上，在反射镜 2 的前面加一半球透镜，就能提高

其数径孔径。如图 4-77 所示，半球透镜 1 所产生的色差可由反射镜 2 的折射面所产生的色差来补偿。在浸液时，数值孔径可达 1.35，能够用于紫外光成像，实现提高分辨率的目的。不过透镜需要用能透紫外光的石英玻璃、荧石等材料。这种结构只是基本结构，要进一步提高其光学性能必须进一步复杂化。

图 4-78 所示为紫外光折一反式显微物镜光路原理图，其中透镜光学材料均应用能透紫外光的石英和荧石，主要的聚焦成像则采用球面反射镜，它与材料的透光性无关，上面的窗口也用透紫外光的石英材料。